Die Erfindung betrifft ein integriert-optisches Element auf einem Substrat aus InP nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein integriert-optisches Element der genannten Art ist aus dem Dokument GB-A-2 207 283 bekannt, in welchem fünf verschiedene Beispiele integriert-optischer Elemente auf einem Substrat aus InP beschrieben sind.
Allen diesen Beispielen ist gemeinsam, daß die an die wellenleitende Schicht grenzenden Schichten aus ternärem Material einer derartigen Zusammensetzung bestehen, daß diese Schichten die gleiche Kristallgitterkonstante wie das InP des Substrats aufweisen.
Bei zwei Beispielen besteht die wellenleitende Schicht aus drei aneinandergrenzenden dünnen Schichten, einer zentralen Schicht und zwei äußeren Schichten, an welche die an die wellenleitende Schicht grenzenden Schichten angrenzen. Diese äußeren dünnen Schichten weisen jeweils eine Kristallgitterkonstante auf, die in Richtung auf die zentrale dünne Schicht graduell von der relativ kleineren Kristallgitterkonstanten der an die wellenleitende Schicht grenzenden Schichten auf die relativ größere Kristallgitterkonstante der zentralen dünnen Schicht zunimmt.
Bei einem der beiden letztgenannten Beispiele ist die relativ größere Kristallgitterkonstante der zentralen dünnen Schicht nur um 0,5% größer als die Kristallgitterkonstante des InP des Substrats.
Ein integriert-optisches Element auf einem Substrat aus InP, bestehend aus
Jedes der in diesen Dokumenten a) bis e) beschriebenen Elemente bildet einen Wellenleiter in Form eines polarisationsunabhängigen optischen Verstärkers.
Bei dem im Dokument a) beschriebenen Verstärker weist die wellenleitende Schicht Quantumwell-Schichten in Form von schwach zugverspannten Potentialtöpfen oder Potentialbarrieren auf. Schwach zugverspannte Töpfe benötigen relativ hohen Strom wegen "Valence band mixing". Quantumwells mit zugverspannten Barrieren erfordern große Dicken, die wegen der Verspannung schwierig herzustellen sind und die Strukturen in den Bereich gewöhnlicher Schichtstrukturen ohne Quantisierungseffekt rücken.
Bei den in den Dokumenten b) und c) beschriebenen Wellenleitern weist die wellenleitende Schicht Quantumwell-Schichten in Form von abwechselnd zug- und druckverspannten Patentialtöpfen auf. Solche Quantumwell-Schichten sind erfolgreich bei optischen Verstärkern für 1,3 µm Wellenlänge realisiert worden.
Der im Dokument d) beschriebene Wellenleiter ist ein Rippenwellenleiter, dessen wellenleitende Schicht homogen aus In-GaAsP mit einer Gap-Wellenlänge von 1,3 µm und einer Dicke zwischen 150 nm und 400 nm besteht.
Der aus Dokument e) bekannte Wellenleiter ist ein Burried Heterostruktur-Wellenleiter mit polarisationsunabhängiger Wellenführung.
Aus dem Dokument EP-A-612 129 ist ein integriert-optisches Element auf einem n-dotierten Substrat aus GaAs bekannt, bei dem eine wellenleitenden Schicht zwischen zwei Schichten aus Halbleitermaterial angeordnet ist, die an die wellenleitende Schicht grenzen und von denen sich eine Schicht zwischen der wellenleitenden Schicht und dem Substrat befindet und n-dotiert ist, während die andere Schicht p-dotiert ist.
Generell weist bei diesem Element die wellenleitende Schicht eine Kristallgitterkonstante auf, die kleiner als eine bestimmte Kristallgitterkonstante des GaAs des Substrats ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel dieses Elements liegt die Besonderheit vor, daß jede der beiden an die wellenleitende Schicht grenzenden Schichten, von denen sich eine Schicht zwischen der wellenleitenden Schicht und dem Substrat befindet, jeweils eine Kristallgitterkonstante aufweisen, die sowohl größer als die Kristallgitterkonstante des GaAs des Substrats als auch größer als die Kristallgitterkonstanten der wellenleitenden Schicht ist, und daß zwischen der sich zwischen der wellenleitenden Schicht und dem Substrat befindenden und an die wellenleitende Schicht grenzenden einen Schicht und dem Substrat eine an das Substrat grenzende und in diesem Dokument als Pufferschicht bezeichnete Trägerschicht aus Halbleitermaterial mit einer Kristallgitterkonstanten, die am Substrat gleich der bestimmten Kristallgitterkonstanten des GaAs des Substrats ist und vom Substrat in Richtung auf die an die wellenleitende Schicht grenzende eine Schicht auf die größere Kristallgitterkonstante dieser einen Schicht zunimmt, angeordnet ist. Die größere Kristallgitterkonstante ist um etwa 1% größer als die Kristallgitterkonstante des Substrats.
Die Trägerschicht ist von der an die wellenleitende Schicht grenzenden einen Schicht durch einen in diesem Dokument als Superlattice layer bezeichneten Schichtenstapel getrennt, der aus zwei Arten sehr dünner Schichten aus Halbleitermaterial unterschiedlicher Bandlücke besteht. Die Kristallgitterkonstante des Schichtenstapels ist der des am nächsten liegenden Teils der Trägerschicht angepaßt.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein integriert-optisches Element bereitzustellen, das eine polarisationsunabhängige Wellenführung bei einer Wellenlänge von 1,55 µm ermöglicht.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Elements liegt darin, daß es bei der Wellenlänge 1,55 µm als polarisationsunabhängiger optischer Verstärker und darüber hinaus als polarisationsunabhängiger optischer Modulator oder Richtkoppler oder auch als polarisationsunabhängiges Filter einsetzbar ist.
Als polarisationsunabhängiger optischer Verstärker bei einer Wellenlänge von 1,55 µm kann das erfindungsgemäße integriert-optische Element vorteilhaft eingesetzt werden als sendeseitiger Boosterverstärker, als Zwischenverstärker in einer Übertragungsstrecke und als Empfängervorverstärker.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß bei den aus Dokument b) und c) bekannten und erfolgreich für 1,3 µm Wellenlänge realisierten Wellenleitern mit zug- und druckverspannten Quantumwell-Schichten bei der Wellenlänge 1,55 µm nur noch die Ausläufer des Verstärkungsspektrums genutzt werden, da die Zugverspannung die Wellenlänge maximaler Verstärkung zu kürzeren Wellenlängen verschiebt, bei etwa 1,50 µm liegen.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elements gehen aus den Unteransprüchen hervor. Insbesondere geht daraus hervor, daß das erfindungsgemäße Element vorteilhafterweise auch als Rippenwellenleiter realisierbar ist, insbesondere mit einer Diodenstruktur, deren Herstellverfahren eine hohe Zuverlässigkeit und Kompatibilität mit bereits benutzten Herstellprozessen für Halbleiterlaserdioden bieten.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Bei dem in der Figur 1 dargestellten integriert-optischen Rippenwellenleiter ist auf einer Oberfläche 100 eines Substrats 10 aus Halbleitermaterial aus InP eines Leitfähigkeitstyps, beispielsweise n-dotiertes InP, eine Trägerschicht 14 aus Halbleitermaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps mit einer von der Oberfläche 100 des Substrats 10 in Richtung zu der von diese Oberfläche 100 abgekehrten Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 variierenden Kristallgitterkonstante a2 aufgebracht.
Diese variierende Kristallgitterkonstante a2 ist an oder nahe der Oberfläche 100 des Substrats 10 gleich der bestimmten Kristallgitterkonstanten a1 des InP und nimmt in Richtung zu der vom Substrat 10 abgekehrten Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 auf eine Kristallgitterkonstante a zu, die um weniger als 1 %, vorzugsweise um im wesentlichen 0,5 % größer als die Kristallgitterkonstante a1 von InP ist. Diese größere Kristallgitterkonstante a ist an der vom Substrat 10 abgekehrten Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 vorhanden.
Die Trägerschicht 14 kann bezüglich einer später beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elements mit einer Schicht 13 aus InAsP vorteilhafterweise aus InAsP und InP bestehen, wobei der von der Oberfläche 100 des Substrats 10 in Richtung zur Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 vom binären InP zum ternären InAsP übergeht.
Beispielsweise nimmt von der Oberfläche 100 des Substrats 10 in Richtung zur Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 der Gehalt von InP graduell von 100 % auf 0 % ab und der des InAsP graduell von 0% auf 100 % zu.
Auf der vom Substrat 10 abgekehrten Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 ist eine erste Schicht 13 aus Halbleitermaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps wie dem des Substrats 10 und der Trägerschicht 14 aufgebracht, vorzugsweise epitaktisch aufgewachsen, welche erfindungsgemäß die gleiche größere Kristallgitterkonstante a aufweist, wie sie an der vom Substrat 10 abgekehrten Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 vorhanden ist.
Auf der vom Substrat 10 und der Trägerschicht 14 abgekehrten Oberfläche 131 der ersten Schicht 13 ist die wellenleitende Schicht 12 mit dem bestimmten, durch elektrische Ladungsträger steuerbaren komplexen Brechungsindex aufgebracht, beispielsweise epitaktisch aufgewachsen. Diese wellenleitende Schicht 12 weist eine der Oberfläche 131 der Schicht 13 zugekehrte Flachseite 122 und eine von der Schicht 13 abgekehrte Flachseite 121 auf. Darüberhinaus weist die wellenleitende Schicht erfindungsgemäß die gleiche größere Kristallgitterkonstante a wie die Schicht 13 auf.
Auf der von der Schicht 13 abgekehrten Flachseite 121 der wellenleitenden Schicht 12 ist eine Schicht 11 aus Halbleitermaterial mit einer im Vergleich zum Leitfähigkeitstyp des Substrat 10 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufgebracht, welche erfindungsgemäß die gleiche größere Kristallgitterkonstante a wie die Schicht 13 und die wellenleitende Schicht 12 aufweist.
Die Schicht 13 bildet das an die dem Substrat 10 zugekehrte Flachseite 122 der wellenleitenden Schicht 12 angrenzende Halbleitermaterial der erfindungsgemäß größeren Kristallgitterkonstante a und die Schicht 11 das an die vom Substrat 10 abgekehrte Flachseite 121 der wellenleitenden Schicht 12 angrenzende Halbleitermaterial der erfindungsgemäß größeren Kristallgitterkonstanten a.
Auf der von der wellenleitenden Schicht 12 abgekehrten Oberfläche 111 der Schicht 11 ist eine Rippe 20 aus einem Halbleitermaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Schicht 11 aufgebracht. Bei n-dotiertem Substrat 10 sind die Schicht 11 und die Rippe 20 p-dotiert.
Die Rippe 20 ist auf der vom Substrat 10 abgekehrten Flachseite 121 der wellenleitenden Schicht 12 angeordnet, was aber nicht bedeutet, daß die Rippe 20 die wellenleitende Schicht 12 kontaktieren muß. Beim dargestellten Beispiel ist die Rippe 20 durch die Schicht 11 von der wellenleitenden Schicht 12 getrennt.
Der Realteil n2 des steuerbaren komplexen Brechungsindex der wellenleitenden Schicht 12 ist größer als ein reeller Brechungsindex n1 der Schicht 11 und größer als ein reeller Brechungsindex n3 der Schicht 13. Der reelle Brechungsindex n1 der Schicht 11 kann gleich dem reellen Brechungsindex n3 der Schicht 13 sein. Die Schichten 11 und 13 können wie die wellenleitende Schicht 12 einen komplexen Brechungsindex aufweisen. Ihr reeller Brechungsindex ist dann der Realteil des komplexen Brechungsindex dieser Schichten 11 und 13.
In die wellenleitende Schicht 12 ist beispielsweise durch die dem Betrachter der Figur 1 zugekehrte Stirnfläche 123 der wellenleitenden Schicht 12, auf die der Pfeil r zeigt, Licht einkoppelbar, das in der wellenleitenden Schicht 12 im wesentlichen zwischen deren Flachseiten 121 und 122 geführt wird.
Der komplexe Brechungsindex der wellenleitenden Schicht 12 ist durch eine Einrichtung zur Steuerung dieses Brechungsindex durch Ladungsträger steuerbar, so daß die Intensität I und/oder die Phase Φ des in der wellenleitenden Schicht 12 geführten Lichts veränderbar ist/sind.
Diese Einrichtung zur Steuerung des komplexen Brechungsindex weist einen auf der vom Substrat 10 und der wellenleitenden Schicht 12 abgekehrten Oberfläche 202 der Rippe 20 angeordneten elektrischen Kontakt 2 und einen auf der von der Rippe 20 und der wellenleitenden Schicht 12 abgekehrten Unterseite 101 des Substrats 10 angeordneten elektrischen Kontakt 3 auf, zwischen denen eine elektrische Steuerspannung zur Steuerung des komplexen Brechungsindex n2 anlegbar ist.
Die Rippe 20 weist eine zu der Flachseite 121 parallele und eine Ausbreitungsrichtung des in der wellenleitenden Schicht geführten Lichts bestimmende Längsachse 201 und eine bestimmte Breite b auf, wobei die Rippe 20 eine im wesentlichen auf deren Breite b begrenzte Wellenführung des in der wellenleitenden Schicht 12 geführten Lichts bewirkt. Eine von der Oberfläche 111 der Schicht 11 gemessene Höhe der Rippe 20 ist mit h bezeichnet.
Der Pfeil r ist in Richtung der Längsachse 201 der Rippe 20 ausgerichtet und gibt, wie schon erwähnt, die Ausbreitungsrichtung des in die wellenleitende Schicht 12 eingekoppelten und dieser Schicht 12 geführten Lichts an.
Die Oberfläche 111 der Schicht 11 und die Seitenflächen 203 und 204 der Rippe 20 sind mit einer Schicht 21 aus elektrisch isolierendem Material bedeckt, auf die elektrische Zuleitungen zum Kontakt 2 auf der Rippe 20 aufgebracht werden können.
Die Trägerschicht oder das Superlattice 14 hat die Aufgabe, die Gitterkonstante von der Gitterkonstanten a1 des InP des Substrats 10 auf die größere Gitterkonstante a "aufzuweiten", die um weniger als 1 %, vorzugsweise im wesentlichen 0,5 %, größer als die Gitterkonstante a1 des InP ist. Da diese größere Gitterkonstante a an der vom Substrat 10 abgekehrten Oberfläche 141 der Trägerschicht 14 vorhanden ist, können die Schicht 13, die wellenleitende Schicht 12 und die Schicht 11 aus Materialien bestehen, welche im wesentlichen die gleiche größere Gitterkonstante a aufweisen. Dadurch ist es möglich, für die wellenleitende Schicht 12 ein Material zu verwenden, das eine um im wesentlichen 0,1 µm größere Bandkantenwellenlänge als herkömmliche Materialien aufweisen, die auf InP aufgebracht sind. Es ist diese Verschiebung der Bandkantenwellenlänge um 0,1 µm, die den Betrieb der wellenleitenden Schicht 12 bei 1,55 µm anstelle von 1,50 µm ermöglicht.
Für die Schichten 13 und 11 wird vorzugsweise ternäres Material mit der im Vergleich zu InP größeren Gitterkonstanten a verwendet, insbesondere InAsP, das im Vergleich zu einer Bandkantenwellenlänge von etwa 0,93 µm des binären InP eine Bandkantenwellenlänge von etwa 1,1 µm aufweist.
Die wellenleitende Schicht 12 besteht vorzugsweise aus einem ternären und/oder quaternärem Material mit der im Vergleich zu InP größeren Gitterkonstanten a, insbesondere aus In1-yGayAs mit einer Bandkantenwellenlänge von im wesentlichen 1,75 µm, was einem Bruchteil y der Ga-Atome in diesem Mischungshalbleiter von etwa 0,4 entspricht. Im Vergleich dazu ist bei herkömmlichen Wellenleitern, bei denen das an die beiden Flachseiten und der wellenleitenden Schicht angrenzende Halbleitermaterial bzw. aus InP und die wellenleitende Schicht ebenfalls aus In1-yGayAs besteht, y gleich 0,47, was einer Bandkantenwellenlänge dieses Mischungshalbleiters von etwa 1,65 µm entspricht, die um 0,1 µm kleiner als die Bandkantenwellenlänge 1,75 µm des erfindungsgemäßen Mischungshalbleiters ist.
Vorzugsweise weist die wellenleitende Schicht 12 zumindest eine zugverspannte Quantumwell-Schicht 121 auf. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn die wellenleitende Schicht 12 auch eine druckverspannte Quantumwell-Schicht 122 aufweist, wobei es günstig sein kann, wenn die wellenleitende Schicht 12 abwechselnd mehrere zug- und druckverspannte Quantumwell-Schichten 121 und 122 aufweist. Nach den Figuren 1 und 2 weist die wellenleitende Schicht 12 beispielsweise und ohne Beschränkung der Allgemeinheit drei zugverspannte Quantumwell-Schichten 121 und zwei dazwischenliegenden druckverspannte Quantumwell-Schichten 122 auf.
Für eine wellenleitende Schicht 12 mit Quantumwell-Schichten 121 und auch 122 kann das in dieser Schicht 12 enthaltene Material mit der niedrigsten Bandkantenwellenlänge wiederum ternäres Material, beispielsweise InAsP mit der auf den unverspannten Zustand dieses Materials bezogenen Bandkantenwellenlänge 1,1 µm sein, während das in dieser Schicht enthaltene Material mit der größten Bandkantenwellenlänge wiederum In1-yGayAs mit der auf den unverspannten Zustand dieses Materials bezogenen Bandkantenwellenlänge von 1,75 µm sein.
Die wellenleitende Schicht 12, insbesondere mit einer oder mehreren Quantumwell-Schichten, läßt sich vorteilhafterweise so dimensionieren, daß die optische Verstärkung unabhängig von einer Polarisation des eingekoppelten Lichts ist.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Figur 1 lediglich dadurch, daß sich die Breite b der Rippe 20 entlang ihrer Längsachse 201, vorzugsweise in der Ausbreitungsrichtung r des in der wellenleitenden Schicht 12 geführten Lichts taperförmig verbreitert.
Wie das Beispiel nach Figur 1 kann das Beispiel nach Figur 2 ein polarisationsunabhängiger Halbleiterverstärker mit aktiver wellenleitender Schicht mit polarisationsunabhängiger Verstärkung sein. Da die Rippe 20 beim Beispiel nach Figur 2 taperförmig ist und die Wellenführung nur für schmale Rippen polarisationsunabhängig ist, für breitere Rippen dagegen ähnlich wie bei einem Buried Heterostruktur-Wellenleiter polarisationsunabhängig ist, verhält sich die Ausführungsform nach Figur 2 weitgehend polarisationsunabhängig. Durch Integration einer Mikrooptik, die aus einem passiven Wellenleiter mit Mikrooptik, wie z.B. ein Taper, bestehen kann, kann das optische Feld statt des elliptisch verbreiterten Querschnitts am verbreiterten Ende der Rippe wieder einen kreisförmige Querschnitt erhalten.
Das erfindungsgemäße integriert-optische Element 1 ist für optische Übertragungssysteme, insbesondere als optischer Verstärker geeignet.